Радиоактивность и виды ионизирующих излучений

Лабораторная работа №5

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Радиоактивность и виды ионизирующих излучений

Радиоактивность - это способность ядер некоторых химических элементов самопроизвольно распадаться с образованием ядер новых химических элементов и испусканием ионизирующего излучения.

В настоящее время известно 106 химических элементов. Каждый элемент может иметь несколько изотопов, которые содержат в ядре одинаковое количество протонов, но различное число нейтронов и одинаковое число электронов в атомной оболочке. Изотопы занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Различают стабильные (устойчивые) изотопы и нестабильные (радиоактивные) изотопы. Химические элементы, занимающие в периодической системе места с 1-го по 83-е имеют как стабильные, так и радиоактивные изотопы; например, водород состоит из трех изотопов: двух стабильных (¹Н протий, ²Н дейтерий) и одного радиоактивного (³Н тритий). Самым тяжелым элементом, имеющим стабильный изотоп, является висмут (Вi, z=83). Элементы, стоящие в периодической системе после висмута, стабильных изотопов не имеют, например, уран состоит из трех радиоактивных изотопов ²³⁸U, ²³⁵U, ²³⁴U.

Скорость распада радиоактивного изотопа характеризуется периодом полураспада (Т_1/2) - это время, за которое распадается половина радиоактивного вещества. Период полураспада не зависит от количества вещества и всегда постоянен (период полураспада радона ²²²Rn 3, 8 сут, урана ²³⁵U 7^.10⁸лет, ²³⁸U 4, 5^.10⁹лет).

Радиоактивный распад имеет статистическую природу; атомные ядра превращаются независимо друг от друга; каждый радионуклид имеет характерную для него вероятность распада. Для отдельного атома нестабильного нуклида нельзя предсказать момент его превращения. Вероятность распада обусловлена свойствами данного вида ядер, т.е. она не зависит от химического и физического состояния радионуклида.

Ионизирующими называюттакиеизлучения, которые, проходя через среду, вызывают ее ионизацию. Помимо ионизации излучения могут вызывать возбуждение молекул среды. Энергию ионизирующего излучения измеряют во внесистемных единицах электрон-вольтах (эВ), 1 эВ = 1, 6 ^. 10^-19 Дж. Ультрафиолетовое излучение и видимый свет не относят к ионизирующим.

По своей природе ионизирующее излучение бывает фотонным и корпускулярным. Фотонное излучение включает g-излучение и рентгеновское излучение.

g-излучение - это фотонное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц (например, электрона и позитрона). Оно обладает высокой проникающей способностью (средний пробег фотонов в воздухе составляет около ста метров, а в биологической ткани - до 10 - 15 см), представляет основную опасность как источник внешнего облучения.

Рентгеновское излучение - это фотонное излучение, состоящее из тормозного или характеристического излучения. Под тормозным понимают излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц, а под характеристическим - возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома.

Корпускулярное излучение - это ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля. Оно бывает следующих видов:

- b-излучение, состоящее из электронов или позитронов, испускается при ядерных превращениях. Бета-частицы обладают малым пробегом (несколько метров в воздухе и несколько сантиметров в биологической ткани), бета-излучатели опасны при проникновении в легкие и желудочно-кишечный тракт как внутренние облучатели;

- a-излучение, состоящее из частиц, имеющих строение, аналогичное ядру атома гелия, т.е. из двух протонов и двух нейтронов, альфа-частицы обладают очень малым пробегом (не более нескольких сантиметров в воздухе и не более 0, 1 мм в биологической ткани). Альфа-излучатели опасны при проникновении внутрь организма как источники внутреннего облучения;

- протонное излучение, состоящее из протонов;

- нейтронное излучение, состоящее из нейтронов.

Единицы измерения ионизирующих излучений

Активность источника радиационного излучения характеризуется числом ядерных превращений в единицу времени и выражается в беккерелях (Бк): 1Бк = 1 распад в секунду (внесистемная единица Кюри - Кu = 3, 7^. 10¹⁰Бк).

Поле, создаваемое источником ионизирующего излучения, имеет следующие характеристики:

1. Экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения D₀ определяется по ионизации воздуха. Она представляет собой отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха массой dm, полностью остановились, к массе воздуха в указанном обьеме:

D₀ = dQ / dm

Единица измерения - кулон на килограмм, Кл/кг. Используется и внесистемная единица измерения - рентген, Р ( 1 Р = 2, 25 ^. 10^-4Кл/кг ).

2. Мощность экспозиционной дозы P₀ - приращение экспозиционной дозы в единицу времени:

P₀ = dD₀ / dt

Единица измерения - Ампер на килограмм, А/кг. Внесистемная единица Р/с (1 А/кг = 3, 88 Р/с).

Поглощение энергии излучения объектами неживой природы характеризуется следующими параметрами:

1. Поглощенная доза излучения D - это энергия ионизирующего излучения dE, поглощенная облучаемым веществом и рассчитанная на единицу его массы:

D = dE / dm

Единица измерения поглощенной дозы - грей, Гр. Внесистемная единица рад, 1 Гр = 100 рад = 1 Дж/кг.

2. Мощность поглощенной дозы Р - приращение поглощенной дозы излучения dD в единицу времени.

P = dD / dt, Гр/с.

При характеристике поглощения облучения биологическими объектами используют следующие понятия:

1. Эквивалентная доза Н - основная дозиметрическая величина в области радиационной безопасности, введенная для оценки возможного ущерба здоровью человека от хронического воздействия ионизирующего излучения произвольного состава.

Эквивалентная доза равна произведению поглощенной дозы на средний коэффициент качества - к, учитывающий биологическую эффективность разных видов ионизирующих излучений. Измеряется в зивертах, Зв, внесистемная единица - бэр, 1 Зв = 100 бэр.

2. Мощность эквивалентной дозы - приращение эквивалентной дозы в единицу времени. Единица мощности эквивалентной дозы - Зиверт в секунду, Зв/с, 1 Зв/с = 100 бэр/с.

3. Эффективная эквивалентная доза (ЭЭД) Н_е - сумма произведений эквивалентной дозы, полученной каждым органом Н_Т, на соответствующий весовой коэффициент W_Т, учитывающий различную чувствительность органов к излучению. ЭЭД обеспечивает сравнимость и приведение неравномерного облучения тела к такой же оценке его последствий, как и при равномерном облучении:

_Т

Н_е = S H_Т W_Т.

i=1

Эта величина измеряется в зивертах, Зв. Например, доза облучения легких 1 мЗв соответствует ЭЭД = 0, 12 мЗв, т.е. показывает, что при равномерном облучении всего тела дозой 0, 12 мЗв вероятность риска от облучения такая же, что и при облучении дозой 1 мЗв только легких.

Естественные и антропогенные источники

Ионизирующих излучений

Во всех естественных биотопах всегда наблюдается определенный естественный уровень радиации, даже при отсутствии каких-либо технических источников.

Земная поверхность служит источником многих видов излучения, так как она содержит различные природные радиоактивные элементы: уран, торий, радий, актиний и т.д. Кроме того, в почве и воде встречается два радиоактивных изотопа ⁴⁰К и ¹⁴С, которые активно внедряются в живой организм. В результате распада природного урана в атмосферу выделяется промежуточный продукт распада - радиоактивный инертный газ радон ²²²Rn и ²¹⁹Rn.

Вся биосфера подвергается также воздействию излучений, приходящих из космоса. В состав космического излучения входят протоны (более 90 %), a-частицы (7 %), ядра тяжелых элементов (1 %). Подавляющая его часть имеет галактическое происхождение, лишь небольшая часть связана с активностью Солнца. Частицы, составляющие галактическое излучение, имеют огромные энергии и, следовательно, обладают большой проникающей способностью. Мощность поглощенной дозы, создаваемая этими частицами, невелика; в космосе она не превышает 0, 2 Гр/год, после прохождения через атмосферу снижается до 3 ^.10^-4Гр/год. Космическое излучение вызывает различные радиационно-химические процессы в верхних слоях атмосферы. По мере приближения к поверхности Земли его роль становится пренебрежительно малой вследствие уменьшения интенсивности излучения.

Антропогенное изменение радиационной обстановки в биосфере связано в основном с ядерными испытаниями, местами захоронения ядерных отходов и объектами ядерной энергетики. В результате антропогенных процессов в биосфере усилились потоки естественных и искусственных радионуклидов, увеличился естественный фон ионизирующих излучений, возросло число зон повышенного радиационного воздействия.

Организмы

Все воздействия ионизирующей радиации на живые организмы можно разбить на две группы: соматические и зародышевые (генетические). Воздействия первой группы затрагивают физиологию особи, подвергшейся облучению, и вызывают различные нарушения, начиная от значительного снижения средней возможности выжить и кончая мгновенной гибелью. Воздействия второй группы влияют на гаметогенез. Многие исследователи показали, что клетки в мейозе обладают повышенной чувствительностью к ионизирующей радиации. Это, в частности, объясняет мутагенное воздействие радиации.

В последовательности событий, следующих за облучением биологического материала, можно выделить четыре этапа. Физический этап характеризуется фактическим поглощением энергии излучения тканью. Продолжительность этого этапа 10^-13 с; в течение этого времени энергия передается атомам ткани.

Основная радиохимическая реакция происходит на втором этапе, занимающем 10^-11...10^-9 сек. За счет энергии излучения в тканях живых организмов образуются ионы и радикалы, обладающие значительной окислительно-восстановительной активностью. В биологических системах это в основном радикалы и ионы, возникающие из молекул воды: Н⁺, ОН^-, НО₂^..На третьем этапе, который длится от 10^-6 сек. до нескольких секунд, они взаимодействуют друг с другом и с другими молекулами, находящимися в растворе. Этот процесс можно представить как цепь химических реакций, во время которых повреждаются важные для организма молекулы (белки, нуклеиновые кислоты и т.д.) и образуются биологически вредные продукты реакций.

Последний (четвертый) этап занимает от нескольких секунд до нескольких поколений. В этот период активно развивается биологическое повреждение. У человека этот этап связан с ослаблением иммунной системы организма, возникновением лучевой болезни, раковых заболеваний, нарушениями генетического материала, передающимися по наследству.

Таким образом, ясно, что предотвратить биохимическое повреждение возможно лишь в течение очень короткого времени. С помощью различных лекарств и видоизменения физиологического состояния (например, кислородного голодания) у некоторых млекопитающих добились повышенной толерантности к излучениям. Однако нередко сами эти лекарства и состояния приводят к повреждениям, и в любом случае используемое средство должно присутствовать в организме в момент облучения. Последующее лечение (в настоящее время) не помогает при радиационном повреждении, если не считать поддерживающей терапии.

Окружающей среды

Экологическое значение изотопов различно. Радиоактивные вещества с коротким периодом полураспада (менее двух суток) не представляют большой опасности для биотопов (за исключением взрывов) так как сохраняют высокий уровень радиации непродолжительное время. С другой стороны вещества, с очень длинным периодом полураспада (уран -238), также не очень опасны, поскольку они в единицу времени испускают очень слабое излучение.

Таким образом, наиболее опасными радиоактивными элементами являются те, у которых период полураспада изменяется от нескольких недель до нескольких лет. Этого времени достаточно для того, чтобы упомянутые элементы смогли проникнуть в различные организмы и накопиться в пищевых цепях.

Следует отметить, что при одинаковом уровне загрязнения экосистемы радиоактивными веществами более опасными для биоценоза считаются изотопы элементов, которые являются основными слагаемыми живого вещества (С-14, Р-326, Са-45, J-131 и т.д.). Менее опасны редко встречающиеся радиоактивные вещества, которые слабо или совсем не поглощаются живыми организмами (например, инертный газ радон).

Большую опасность представляют изотопы, по своим химическим свойствам похожие на элементы, активно поглощаемые живыми организмами. Например, стронций-90 (похож на кальций) и цезий-137 (похож на калий) являются наиболее опасными изотопами, которые могут отравить окружающую среду, попав в нее в виде отходов атомной промышленности, или при выпадении радиоактивных осадков, последовавших за ядерным взрывом в атмосфере. Стронций из-за сходства с кальцием легко проникает в костную ткань позвоночных, тогда как цезий накапливается в мускулах, замещая калий. Так как периоды полураспада этих элементов соответственно равны 28 и 33 годам, они остаются в зараженном организме и могут накапливаться в количествах, способных причинить ущерб здоровью.

Поскольку не существует каких-либо биологических или химических способов ускорить процесс радиоактивного распада, борьба с радиационным загрязнением должна носить предупредительный характер.

Задания

1. Определить мощность полевой эквивалентной дозы гамма-излучения с помощью дозиметра АНРИ-01-02. Порядок работы с прибором изучить по инструкции в методических указаниях. Трижды провести измерения в помещении и на улице (в каждой точке замеры проводят как минимум 3 раза) и вычислить в обоих случаях среднее арифметическое значение. Исходя из полученных данных, рассчитать какую дозу получит человек за всю жизнь (за 70 лет, в бэрах), соответствует ли она допустимым нормам.

2. Согласно инструкции к дозиметру измерить загрязненность поверхностей бетта-излучающими радионуклидами образцов, химических солей, содержащих К⁺, выданных преподавателем. Рассчитать процентное содержание калия в них. Построить график зависимости плотности потока бета-частиц от процентного содержания калия. Объяснить полученные результаты.

Библиографический список

1. Б о г д а н о в с к и й Г.А. Химическая экология. М.: Изд-во МГУ, 1994. 237 с.

2. Г р и н Н., С т а у т У., Т е й л о р Д. Биология / Пер. с англ.
Т. 1. М.: Мир, 1990. 325 с.

3. О д у м Ю. Экология / Пер. с англ. В 2 т. М.: Мир, 1986.

4. П о л е н о в Б. В. Дозиметрические приборы для населения. М.: Энергоатомиздат, 1991. 64 с.

5. Р а м а д Ф. Основы прикладной экологии / Пер. с франц. Л.: Гидрометеозидат, 1981. 543 с.

6. Химические методы анализа объектов окружающей среды: Лаб. практикум / С.М.Чеснокова, В.Г. Амелин; Владим. гос. техн. ун-т. Владимир, 1996. 60 с.

7. Химия окружающей среды: Практикум / Т.А.Трифонова, Е.П.Гришина, Н.В. Мищенко, А.Л.Тихомиров; Владим. гос. техн. ун-т. Владимир, 1996. 56 с.

8. Ч е р н о в а Н.М. Лабораторный практикум по экологии. м.: Просвещение, 1986.

Порядок работы прибора